Génération de microtumeurs Utilisation 3D Biogel humain Système de culture et les cellules de glioblastome patients dérivés pour Kinomic Profilage et Testing Réponse Drug
Summary
Patient-derived xenografts of glioblastoma multiforme can be miniaturized into living microtumors using 3D human biogel culture system. This in vivo-like 3D tumor assay is suitable for drug response testing and molecular profiling, including kinomic analysis.
Abstract
The use of patient-derived xenografts for modeling cancers has provided important insight into cancer biology and drug responsiveness. However, they are time consuming, expensive, and labor intensive. To overcome these obstacles, many research groups have turned to spheroid cultures of cancer cells. While useful, tumor spheroids or aggregates do not replicate cell-matrix interactions as found in vivo. As such, three-dimensional (3D) culture approaches utilizing an extracellular matrix scaffold provide a more realistic model system for investigation. Starting from subcutaneous or intracranial xenografts, tumor tissue is dissociated into a single cell suspension akin to cancer stem cell neurospheres. These cells are then embedded into a human-derived extracellular matrix, 3D human biogel, to generate a large number of microtumors. Interestingly, microtumors can be cultured for about a month with high viability and can be used for drug response testing using standard cytotoxicity assays such as 3-(4,5-dimethylthiazol-2-yl)-2,5-diphenyltetrazolium bromide (MTT) and live cell imaging using Calcein-AM. Moreover, they can be analyzed via immunohistochemistry or harvested for molecular profiling, such as array-based high-throughput kinomic profiling, which is detailed here as well. 3D microtumors, thus, represent a versatile high-throughput model system that can more closely replicate in vivo tumor biology than traditional approaches.
Introduction
Les tumeurs les plus courantes primaires intracrâniennes cérébrales malignes sont de grade III et astrocytomes de grade IV glioblastome (glioblastome ou GBM). Ces tumeurs offrent un mauvais pronostic avec la médiane de survie d' un an entre 12 – 15 mois avec les thérapies actuelles pour GBM aux États – Unis 1-3. multimodales thérapies comprennent la chirurgie, la radiothérapie et la chimiothérapie, y compris le témozolomide (TMZ) et les agents de la kinase ciblée. la signalisation de la kinase est souvent dérégulé dans la GBM, y compris les sous-ensembles de tumeurs avec une amplification ou des mutations d'activation de la croissance du récepteur du facteur épidermique (EGFR), l'augmentation du Platelet Derived Growth Factor Receptor (PDGFR) de signalisation, l'augmentation de phosphatidylinositol-3 kinase (PI3K), et tumeur supportant une signalisation à travers l' endothélium vasculaire angiogénique Growth Factor Receptor (VEGFR), ainsi que d' autres kinases entraîné voies 4-6. Current in vitro et in vivo dans des modèles perdent souvent ces altérations représentatives <sup> 7. En outre, le profilage génétique n'a pas offert les avantages escomptés qui peuvent refléter le fait que les changements génétiques et épigénétiques ne prédisent pas toujours des changements au niveau de l'activité de la protéine, où la plupart kinase agents de ciblage agissent directement, et où les thérapies avec d'autres mécanismes d'action peuvent agir indirectement.
La ligne traditionnelle de cellules immortalisées qui peut être repiqué ad infinitum a longtemps été la norme pour le dépistage des drogues en raison de leur facilité d'entretien et de reproductibilité. Toutefois, ce modèle souffre d'un environnement de croissance élevé en éléments nutritifs (et artificielle) qui sélectionne les cellules qui diffèrent grandement de la tumeur d'origine en croissance rapide. En tant que tel, il y a eu un intérêt considérable dans le développement de systèmes de modèles plus réalistes qui reflètent un système biologique de la tumeur plus complexe est présent chez le patient. xénogreffes de tumeurs développées directement à partir d'une tumeur primaire développée chez la souris ( "xenoline" xénogreffe dérivé du patient ou PDX) disposide système modèle plus représentatif, en particulier dans le cadre de traitements contre le cancer, comme ils se font sentir de prédire de manière plus fiable succès clinique. 8 Malgré la biologie plus réfléchi, ces modèles sont coûteux et sont difficiles à établir et à maintenir. De plus, ils ne se prêtent pas à des études à haut débit. La nécessité de mieux développer des modèles biologiques qui reflètent plus précisément les altérations moléculaires dans les tumeurs primaires et de profil et tester ces modèles en utilisant des mesures directes de l'activité kinase, pas marqueurs substituts génétiques, est clair.
Il est bien reconnu que , contrairement à deux dimensions (2D) des cultures monocouches, 3D ou modèles d'analyse multicellulaires peuvent fournir plus physiologiquement effets pertinents 9-11. culture 3D commune approches impliquent des microsupports de matrice revêtu et la formation de sphéroïde cellulaire. sphéroïdes de tumeur peuvent être générés via l'agrégation cellulaire en utilisant ballon rotatif, plaque pHEMA et la pendaison des techniques de chute. Limitations de tapproches es comprennent: l'incapacité de certaines cellules pour former des sphéroïdes stables, la variabilité de la croissance et les défis avec les types de cellules mixtes. Sinon, beaucoup synthétique (hydrogel, polymère) et d' origine animale Engelbreth-Holm-Swarm (EHS) matrice à partir de sarcomes de souris, le collagène bovin) matrices ont été développés pour la culture 3D études 12-14. Matrice de souris EHS est largement utilisée mais connue pour favoriser la croissance et la différenciation cellulaires in vitro et in vivo 15.
Afin de reproduire la biologie de la tumeur en 3D, un système de biomatrice humain a été développé par le Dr Raj Singh et al. 16. La libre facteur biogel humain naturel, la croissance permet échafauds de culture 3D (perles, disques), qui soutiennent la culture à long terme de plusieurs types de cellules. Une série de 3D biogel humaine conceptions de la culture sont mis en place pour étudier la croissance tumorale, l'adhérence, l'angiogenèse et l'invasion des propriétés. Avantages et propriétés de biogel humaine par rapport à commungels de souris EHS sont résumés dans le tableau 1 et le tableau 2.
| La source: | Amnios humain (tissus Pooled) libre Pathogen, IRB-exemptés / approuvés |
| Nature ECM: | Non dénaturé Biogel (GLP-production) |
| Clé Composants: | Col-I (38%), la laminine (22%), Col-IV (20%), Col-III (7%), entactine & HSPG (<3%) |
| Gratuit GF-: | Indétectable EGF, FGF, TGF, VEGF, PDGF (non-angiogénique, non toxique) |
Tableau 1: Propriétés de Biogel humain par rapport à EHS Gels communs.
<table border="1" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-wie-next.within page = "always">Tableau 2: Avantages de Biogel humain par rapport à EHS Gels communs.
Protocol
Representative Results
Discussion
Les étapes critiques au sein du protocole portent essentiellement sur microtumor génération, ainsi que dosage des médicaments et de l'entretien. Parce que les perles de microtumor sont fragiles et facilement déchiré, un soin extrême est nécessaire dans les deux stades de développement d'un essai et d'entretien. Si une erreur se produit au cours de l'un de ces procédés, l'interprétation expérimentale peut être compromise, ce qui provoque l'extension ou la répétition inutile des exp…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Soutenu par subvention du NIH R21 (PI: C. Willey, CA185712-01), Brain Tumor sentence SPORE (PD: GY Gillespie, P20CA 151129-03) et le contrat SBIR (PI: R. Singh, N43CO-2013-00026).
Materials
| Collagenase-I | Sigma-Aldrich | CO130 | |
| Trypsin EDTA (10X) | Invitrogen | 15400-054 | |
| Neurobasal-A | Life Technologies | 10888-022 | |
| N-2 Supplement | Life Technologies | 17502-048 | 1x final concentration |
| B-27 Supplement w/o Vitamin A | Life Technologies | 12587-010 | 1x final concentration |
| Recombinant Human FGF-basic | Life Technologies | PHG0266 | 10 ng/mL final concentration |
| Recombinant Human EGF | Life Technologies | PGH0315 | 10 ng/mL final concentration |
| L-Glutamine | Corning Cellgro Mediatech | 25-005-CI | 2 mM final concentration |
| Fungizone | Omega Scientific | FG-70 | 2.5 ug/mL final concentration |
| Penicillin Streptomycin | Omega Scientific | PS-20 | 100 U/mL Penicillin G, 100 ug/mL Streptomycin final concentration |
| Gentamicin | Life Technologies | 15750-060 | 50 ng/mL final concentration |
| MTT | Life Technologies | M6494 | prepared to 5 mg/mL in PBS and sterile filtered, 1 mg/mL in well |
| SDS | Fisher | BP166 | for MTT lysis buffer, prepared to 10% in 0.01M HCL, 5% in well |
| HCl | Fisher | A144SI-212 | for MTT lysis buffer, prepared to 0.01M with SDS, 5 mM in well |
| Calcein AM | Life Technologies | C1430 | 1 mM in DMSO stock, 2 uM in PBS staining solution, 1 uM in well |
| Halt’s Protein Phosphatase Inhibitor cocktail | Pierce ThermoScientific | 78420 | 1:100 ratio in MPER |
| Halt's Protein Protease Inhibitor | Pierce ThermoScientific | 87786 | 1:100 ratio in MPER |
| Mammalian Protein Extraction Reagent (MPER) | Pierce ThermoScientific | PI78501 | |
| Trypan Blue | Pierce ThermoScientific | 15250-061 | |
| DMSO | Fisher | BP231 | for dissolution of calcein AM & compounds |
| Phosphate-Buffered Saline without Ca/Mg | Lonza | 17-517Q | diluted to 1X with MiliQ ultrapure water and sterile filtered (for cell culture) |
| Dulbecco's Phosphate-Buffered Saline with Ca/Mg | Corning Cellgro Mediatech | 20-030-CV | diluted to 1X with MiliQ ultrapure water (for pre-fixation wash) |
| 10% Neutral Buffered Formalin | Protocol | 032-060 | |
| Trypan Blue | Pierce ThermoScientific | 15250-061 | |
| High Density Hubiogel | Vivo Biosciences | HDHG-5 | |
| Halt's Protein Phosphatase Inhibitor | Pierce | 78420 | |
| Halt's Protein Protease Inhibitor | Pierce | 87786 | |
| Mammalian Protein Extraction Reagent (MPER) | Thermo Scientific | 78501 | |
| Protein Tyrosine Kinase (PTK) Array Profiling chip | PamGene | 86312 | |
| PTK kinase buffer | PamGene | 36000 | 300 µl 10X PK buffer stock in 2.7 ml dH20, catalog number for PTK reagent kit |
| ATP | PamGene | 36000 | catalog number for PTK reagent kit |
| PY20- FITC-conjugated antibody | PamGene | 36000 | catalog number for PTK reagent kit |
| PTK Additive | PamGene | 32114 | |
| PTK-MM1 tube (10X BSA) | PamGene | 36000 | catalog number for PTK reagent kit |
| Serine/Threonine Kinase (STK) Array Profiling chip | PamGene | 87102 | |
| STK kinase buffer | PamGene | 32205 | catalog number for STK reagent kit |
| STK Primary Antibody Mix (DMAB tube) | PamGene | 32205 | catalog number for STK reagent kit |
| FITC-conjugated Secondary Antibody | PamGene | 32203 | |
| STK-MM1 tube (100X BSA) | PamGene | 32205 | catalog number for STK reagent kit |
| STK Antibody Buffer | PamGene | 32205 | catalog number for STK reagent kit |
| Equipment | |||
| #11 Blades, sterile | Fisher | 3120030 | |
| #3 scalpel handles, sterile | Fisher | 08-913-5 | |
| 100mm glass Petri dishes | Fisher | 08-748D | |
| Semicurved forceps | Fisher | 12-460-318 | |
| Trypsinizing flask | Fisher | 10-042-12B | |
| Magnetic stirrer | Fisher | 14-490-200 | |
| 3/4" stir bar | Fisher | 14-512-125 | |
| B-D cell strainer | Fisher | #352340 | |
| B-D 50ml Centrifuge tube | Fisher | #352098 | |
| PamStation 12 | PamGene | ||
| BioNavigator 6.0 kinomic analysis software | PamGene | ||
| Evolve Kinase Assay Software | PamGene | ||
| UpKin App software (upstream kinase prediction) | PamGene | ||
| gentleMACS Dissociator | Miltenyi Biotec | 130-093-235 | |
| Rotary Cell Culture System (RCCS) | Synthecon | RCCS-D | with 10 mL disposable HARV |
References
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